淤泥质软弱路基土的固化改良试验研究
时间：2023-04-15 13:55:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
陈中友
（安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230041)
淤泥质土是指天然含水率大于液限、天然孔隙比在1.0～1.5之间的黏性土，是路基软弱土的主要类型，在路基处理过程中，淤泥质土是重点关注对象，是工程上必须处理的问题，它具有长期性、大量性、特殊性等特点。这种土主要分布在我国东南沿海地区和内陆的大江、大河、大湖沿岸及周边区域，由于其具有压缩性较高、强度低的特点，容易导致地基沉降大，且多为不均匀沉降，极易造成建筑物墙体开裂、建筑物倾覆。
研究表明，化学固化改良法相较于其他几种处理方法具有节约资源、控制成本、改良效果明显等优势[1]，是淤泥质软弱路基土处理方法中较为理想的方法。本文对淤泥质土的固化改良机理进行分析，并通过试验验证淤泥质软弱路基土的固化改良效果，找到固化剂合适的掺量，为淤泥质软弱路基土的固化改良提供参考。
目前，在实际工程应用中，淤泥质土固化材料的类型较多，按其主要成分可分为五大类：有机化合物类、无机化合物类、离子交换类、生物酶类和复合型固化剂。就固化材料发展过程和实用性而言，一般主要分成传统的无机化合物类和新型的复合型固化剂两大类。
（1）无机化合物类固化材料及其加固机理。传统的无机化合物类固化材料，一般是指以水泥为代表的粉末状胶凝材料，如石灰、石膏、粉煤灰、工业矿渣以及几种胶凝材料的混合物等。这类传统固化剂加固改良淤泥质不良土时主要是通过颗粒表面的矿物质和土体中水发生水解反应和水化反应，生成的水化产物主要是水化硅酸钙、氢氧化钠以及钙矾石等混合胶凝物质。
（2）复合型固化材料及其加固机理。新型复合型土壤固化材料通常是指两种或两种以上的化学试剂按一定配比制作而成的对土壤具有一定加固改良能力的新型固化剂。辅助材料还可以通过与淤泥质土中的矿物质发生物理、化学反应，在一定程度上能增强骨架结构，提升固化土的总体强度。且有些辅助材料之间能反应产生膨胀性物质，充填固化土颗粒间的孔隙，提高骨架结构的稳定性，增强固化土强度[2]。
就不同固化剂类型而言，无论是无机固化剂、复合型固化剂还是有机高分子材料固化剂，在固化改良淤泥质土时都会发生一系列的化学反应，生成胶凝物质，改善软土的骨架结构。不同类型固化剂与淤泥质土反应的化学方程式是不同的，反应产物也有所不同，导致其固化效果有所不同。因此，研究固化剂的固化改良作用有着重要的意义。
2.1 主固化剂
在软弱土体固化改良的研究领域，水泥是大部分学者研究固化土的首选固化材料，同时也是被采用最多的固化材料，且随着水泥品种的多样化，相关固化技术也已达到成熟状态。目前，水泥品种的多样化按水泥性能和用途分为普通水泥、专用水泥和特性水泥，按水泥主要成分分为硅酸盐类水泥、硫酸盐类水泥、磷酸盐类水泥以及铝酸盐类水泥等。就建筑行业而言，所使用的水泥普遍以抗压强度42.5MPa的普通硅酸盐水泥为主，且软土固化剂研究领域大部分都是水泥固化土，采用的亦为普通硅酸盐水泥[3]。基于此，本文采用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥作为淤泥质土固化改良的主固化剂。
2.2 外掺剂
（1）水玻璃：采用无色透明黏稠状硅酸钠水溶液，其化学分子式为Na2SiO3·nH2O，相对密度为2.66g/cm3，分子量为284.2，折射率为1.522。水玻璃溶液易溶于水，溶于稀氢氧化钠溶液，不溶于酸和乙醇，且水解呈碱性，又因为是弱酸盐，所以遇盐酸、硫酸、硝酸、二氧化碳都能析出硅酸。
（2）碳酸钙：采用成都市永源建材有限公司生产的碳酸钙，是一种白色微细结晶粉末状无机化合物，其化学式为CaCO3，呈中性，基本上不溶于水，溶于酸。分子量为100，相对密度为2.632g/cm3。
（3）生石膏：采用国药集团化学试剂有限公司生产的白色粉末状生石膏粉，主要化学成分为CaSO4·2H2O，其密度为2.27g/cm3，分子量为172，微溶于水。
（4）FDN高效减水剂：无毒、无味不易燃的棕色粉末，具有明显的减水分散效果，减少泌水，提高抗离析性，其减水率在15%～25%。
（5）三乙醇胺：一种具有强吸湿性的淡黄色或无色黏稠状液体，其pH呈弱碱性，胺的含量在99%～110%，密度约1.5g/cm3，折光率则1.480～1.47，其主要成分C6H15NO3的含量在75.0%以上。
2.3 固化剂的配制
水玻璃：不良土中Ca2+和OH-的浓度是决定C-S-H生成量的重要因素。故可通过掺入Na2O·n Si O2、NaOH和CaO中和黏粒孔隙溶液中的酸，提高pH值，使得黏粒孔隙溶液中的Ca（OH）2处于饱和状态，以便水化反应的进行。其中水玻璃的反应化学式如式（1）：
碳酸钙：掺入碳酸钙后，使得溶液中的Ca2+增加。通过离子交换，用高价离子取代低价离子，实现水化离子半径缩小化，来达到双电层变薄，以使黏土颗粒之间易于凝聚。常见阳离子的交换能力如下：
生石膏：采用掺入膨胀性组分生石膏，与水化铝酸钙的反应后生成具有膨胀性的水化物钙矾，填充于黏粒之间孔隙中以及挤压填充团粒内的孔隙，使得固体体积膨胀性有所增加。
基于淤泥质土的物化性质以及针对性固化对策，初步选定无机材料水泥为主固化剂，水玻璃、碳酸钙、生石膏、FDN高效减水剂以及三乙醇胺作为固化剂的外掺试剂，对外掺试剂进行单掺配比试验，目的是确定外掺剂合适的掺量（掺量为土试样质量的百分比）范围以及外掺试剂在水泥为主固化剂下固化效果的影响规律。
水泥作为主固化剂，水泥浆水灰比控制为0.4时，土体抗压强度随水泥掺量变化关系如图1所示。由图1可知，固化土随着水泥掺量逐渐增加，7d抗压强度基本上呈直线增长，当水泥掺量从6%增加至15%时，强度提升约179%，随后从15%增至24%，其强度提升约64%。因此，单掺水泥的最佳掺量应控制在15%左右。初步确定水灰比为0.4，固化土试样基准配比的水泥掺量为15%。
图1 土体抗压强度随水泥掺量变化关系图
在水泥掺量为15%的条件下下进行不同含水量试验，试验结果如图2所示，由图2可知，含水量为44%时，水泥固化土的抗压强度达到最大。同时，在试验时发现抗压强度最大值对应的含水量与淤泥质土液限的45.7%接近。现以含水量为44%，水泥掺量为15%，水灰比为0.4为基准配比，对各配比进行试验分析，配比方案如表1所示，并通过7d无侧限抗压强度试验测得强度为192kPa。
图2 土体抗压强度随含水量变化关系图
表1 改良土基准配比方案表
在基准配比下，各外掺试剂单掺试验结果分别见图3～图6所示。
通过图3、图4可以发现，淤泥质土的土体抗压强度与水玻璃和碳酸钙掺量呈正相关，掺量较低时，淤泥质土体强度增长速度较低，水玻璃掺量在4%以内时，土体强度几乎和水玻璃掺量呈正比，超过4%后，淤泥质土强度呈指数增长趋势，原因在于水玻璃中的Ca2+和OH-的浓度在掺量较低时，化学反应较慢，当达到一定浓度时，离子的反应速度迅速增加，土体强度不断提高，同时由于OH-离子的增加，水中的pH值也不断上升，碱性环境促进了Ca(OH)2快速进入饱和状态，加快了水化反应的进行[4]。
图3 土体抗压强度随水玻璃掺量变化关系图
图4 土体抗压强度随碳酸钙掺量变化关系图
图5 土体抗压强度随生石灰掺量变化关系图
图6 土体抗压强度随FDN减水剂掺量变化关系图
碳酸钙在掺量在0.6%～1.0%时候，淤泥质土体强度曲线斜率迅速上升，这是因为Ca2+增加使得淤泥质土液体中的低价钙离子置换成高价钙离子，释放水化热，反应物温度上升，加快化学反应的进程。从经济成本及反应物合理利用的角度出发，水玻璃掺量10%和碳酸钙掺量1.0%是较为理想的掺量。
从图5、图6可以发现，土体抗压强度随生石灰和FDN减水剂掺量的增加表现为先增大后减小的趋势，土体抗压强度存在峰值，峰值分别出现在生石灰掺量2%和FDN减水剂掺量1.5%时。试验结果表明，生石灰掺量为2%时，土体抗压强度最大。同样，减水剂的加入也会产生类似现象，带缓凝引气的减水剂如果过量，就会引起混凝土凝结过慢，含气量高，导致混凝土强度降低[5-6]，试验结果表明，1.5%的FDN减水剂掺量是最佳单掺量。
根据以上试验结果，配制含量为最佳掺量的固化剂用于淤泥质土的固化改良，水玻璃掺量10%、碳酸钙掺量1.0%、生石灰掺量2%、FDN减水剂掺量1.5%，对比试验设置一组原状土，两组对照组，原状土为某工程现场淤泥质土，对照组分别采用合格路基填料及固化改良处理土，试验结果采用室内试验测取土体物理力学参数，分别从土体容重、弹性模量、泊松比、内摩擦角及黏聚力5个土力学参数进行对比分析，试验结果统计于表2中。
表2 改良土基准配比方案表
对比结果显示：换填法及固化改良处置后的路基土相对于原状淤泥质土体各力学参数均有较大程度提高，其中最为显著的参数为弹性模量，换填合格路基填料后，路基弹性模量为1200MPa，已经符合路基弹性模量要求，固化改良之后的土体弹性模量达1500MPa，较合格路基填料的弹性模量提升了25%，同时泊松比下降，容重及内摩擦角小幅度上升，黏聚力显著增加，原状淤泥质土黏聚力仅为10kPa，固化改良后的路基土黏聚力增加至150kPa。说明固化改良对处置淤泥质不良土具有良好的效果，主要体现在土体弹性模量、黏聚力的增加，和泊松比的降低等方面。
本文以工程中常见的淤泥质土为研究对象，通过对淤泥质土的固化改良，使之成为能够满足工程应用条件的合格填料。首先从淤泥质土固化改良剂的改良原理出发，对离子固化改良的化学过程进行了研究，并进行各固化改良剂的单掺试验研究，得到了4种淤泥土的固化改良最佳单掺量，在此基础上对比了原状淤泥质土、换填土、固化改良后的路基土力学参数。试验结果表明：在最佳单掺量条件下，固化改良后的淤泥质土具有良好的力学性质，能够作为良好的路基填料来使用。
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